Çeliqe rezistente ndaj hidrogjenit - materiale për përdorim në mjedise me hidrogjen H₂

Çeliqet për përdorim në mjediset me hidrogjen duhet të zgjidhen bazuar në temperaturën, presionin dhe formën e hidrogjenit, si dhe në mekanizmin e degradimit të materialit. Nuk ka një gradë të vetme universale të "çelikut rezistent ndaj hidrogjenit". Në instalimet e gazit hidrogjen përdoren materiale të tjera.₂ në temperaturë ambienti dhe të tjera në rafineri me temperaturë të lartë dhe instalime petrokimike.
Në praktikë, tre fenomene janë veçanërisht të rëndësishme: brishtësia e hidrogjenit (HE), sulmi me hidrogjen në temperaturë të lartë (HTHA) dhe plasaritja e shkaktuar nga hidrogjeni (HIC).
Materialet e marra në konsideratë për instalimet që përmbajnë hidrogjen përfshijnë, ndër të tjera, çelikët e karbonit dhe çelikut me aliazh të ulët, çelikun krom-molibden Cr-Mo, çelik inox lidhjet austenitike dhe të nikelit. Megjithatë, përzgjedhja e duhur kërkon analizën e kushteve specifike të funksionimit.

Si ndikon hidrogjeni në çelik?

Hidrogjeni mund të ndikojë në vetitë e metaleve në disa mënyra të ndryshme. Thjesht të thuash se një material funksionon "në hidrogjen" nuk është e mjaftueshme për të përcaktuar gradën e duhur të çelikut.
Ndër të tjera, të rëndësishme janë këto:

temperatura e funksionimit,
presioni total dhe presioni i pjesshëm i hidrogjenit,
forma dhe burimi i hidrogjenit,
mikrostruktura e materialit,
forca dhe fortësia e çelikut,
trajtimi i nxehtësisë,
streset e brendshme dhe operative,
prania e saldimeve dhe zonave të prekura nga nxehtësia,
përbërja kimike e mjedisit,
kohë ekspozimi.

Prandaj, rezistenca e një materiali ndaj hidrogjenit nuk është një veti e vetme dhe konstante e materialit.

Brishtësia e Hidrogjenit (HE)

Brishtësia e hidrogjenit është një fenomen që çon në përkeqësim të vetive mekanike të metaleve për shkak të pranisë së hidrogjenit në material. Hidrogjeni mund të depërtojë në strukturën e metalit dhe të ndikojë, ndër të tjera, në duktilitetin, rezistencën ndaj thyerjes dhe sjelljen e tij nën ngarkesë statike dhe ciklike.
Çeliqet me rezistencë dhe fortësi të lartë mund të jenë veçanërisht të ndjeshëm. Megjithatë, rreziku varet edhe nga mikrostruktura, sforcimet, temperatura dhe metoda e futjes së hidrogjenit në material.
Çeliqet inox austenitikë nga seria 300 janë një grup i rëndësishëm materialesh që merren në konsideratë për instalimet e gazit hidrogjen. çelik 316L / 1.4404 tregon përputhshmëri të mirë me hidrogjenin dhe në shumë kushte karakterizohet nga sjellje më e favorshme sesa çelikët me një strukturë më të ndjeshme ndaj veprimit të hidrogjenit.

HTHA – Sulm me Hidrogjen në Temperaturë të Lartë

HTHA (Sulmi me Hidrogjen në Temperaturë të Lartë) është një mekanizëm i ndryshëm nga brishtësia klasike e hidrogjenit.
Në temperatura të larta, hidrogjeni mund të shpërndahet në çelik dhe të reagojë me karbonin e pranishëm në material. Metani që rezulton nuk mund të dalë lehtësisht nga struktura metalike. Kjo mund të rezultojë në dekarburizim, formimin e boshllëqeve, mikroçarje dhe degradim gradual të strukturës së materialit.
Fenomeni është me rëndësi të veçantë në:

rafineritë,
instalimet e hidrokrakingut dhe hidrorafinimit,
industria petrokimike,
instalimet e sintezës kimike,
aparat që vepron në hidrogjen të nxehtë nën presion.

Rezistenca ndaj HTHA është një arsye për përdorimin e çelikëve të lidhur që përmbajnë krom (Cr) dhe molibden (Mo) . Këta elementë formojnë karbide më të qëndrueshme se hekuri, gjë që rrit rezistencën e materialit ndaj degradimit në temperatura të larta të shkaktuar nga hidrogjeni.

HIC – Krisje e Induktuar nga Hidrogjeni

HIC (Prakariera të Induktuara nga Hidrogjeni) do të thotë çarje e shoqëruar me akumulimin e hidrogjenit në material. Ky fenomen është veçanërisht i rëndësishëm në çelikët që funksionojnë në mjedise që lejojnë formimin dhe depërtimin e hidrogjenit atomik në çelik, duke përfshirë mjedise të caktuara që përmbajnë H₂S.
Hidrogjeni mund të grumbullohet në ndërprerje mikrostrukturore, përfshirje jometalike dhe kurthe të tjera hidrogjeni. Nën kushte të caktuara, kjo çon në formimin dhe bashkimin e mikroçarjeve.
HIC nuk duhet të ngatërrohet me HTHA. Këto janë mekanizma të ndryshëm të degradimit të materialit dhe kërkojnë kritere të ndryshme të përzgjedhjes së çelikut.

Cilat çelikë përdoren për të punuar me hidrogjen?

Materiali / speciet	Grupi i materialeve	Rëndësia e hidrogjenit në mjedis	Përdorim tipik/Shënime
Çeliqet e karbonit	C / C-Mn	Përdorimi i mundshëm në kushte të caktuara	Ato kërkojnë vlerësimin e temperaturës, presionit, forcës dhe mekanizmit të degradimit.
16Mo3 / 1.5415	çeliku molibden	Material për operim në temperatura të larta; përzgjedhja e hidrogjenit kërkon analizën e kushteve të operimit	Pajisjet nën presion, industritë e energjisë dhe përpunimit
13CrMo4-5 / 1.7335 / 15HM	Çelik Cr-Mo	Rezistencë e shtuar ndaj HTHA-së krahasuar me çelikët tipikë të karbonit	Pajisjet nën presion, petrokimia, instalimet me temperaturë të lartë
10CrMo9-10 / 1.7380 / 10H2M	Çelik Cr-Mo	Çelik Cr-Mo i përdorur në kushte të vështira të temperaturës së lartë	Tubacione, pajisje nën presion, energji dhe petrokimikate
H5M / X16CrMo5-1 / 1.7366 dhe X11CrMo5 / X12CrMo5 / 12CrMo19-5 / 1.7362	çelik afërsisht 5% Cr-Mo	Një grup me rezistencë të shtuar ndaj HTHA-së, i destinuar për përdorim, ndër të tjera, në hidrogjen të nxehtë nën presion	Rafineri, petrokimikate, impiante sinteze amoniaku, pajisje dhe tubacione për temperaturë të lartë
ASTM A387 Gr. 11	afërsisht 1¼Cr-½Mo	Çelik Cr-Mo i përdorur në pajisjet që punojnë me hidrogjen në temperatura të larta	Fletë për rezervuarë dhe pajisje nën presion
ASTM A387 Gr. 22	afërsisht 2¼Cr-1Mo	Një grup i rëndësishëm materialesh për funksionim në temperaturë të lartë në një mjedis hidrogjeni	Pajisjet nën presion, rafineritë dhe instalimet e hidropërpunimit
1.4307 / AISI 304L	çelik inox austenitik	Përputhshmëri e mirë me hidrogjenin në shumë aplikime	Instalimet e gazit H₂; është e nevojshme të vlerësohen parametrat mekanikë në një mjedis real
1.4404 / AISI 316L	çelik austenitik Cr-Ni-Mo	Përputhshmëri e mirë me hidrogjenin dhe sjellje e favorshme në shumë aplikime të hidrogjenit	Tubacione, pajisje dhe përbërës të instalimeve të gazit të hidrogjenit
1.4541 / AISI 321	Çelik austenitik i stabilizuar me Ti	Materiali austenitik përdoret gjithashtu në temperatura të larta	Pajisjet e procesit dhe të temperaturës së lartë
1.4571 / AISI 316Ti	Çelik austenitik i stabilizuar me Ti	Kombinim i mirë i vetive të korrozionit dhe temperaturës së lartë; në H₂ vlerësimin e kushteve të kërkuara	Pajisje kimike dhe të procesit
Aliazh 625 / 2.4856 / UNS N06625	Aliazh Ni-Cr-Mo-Nb	Aliazh nikeli i përdorur në mjedise të kërkuara; përzgjedhja për H₂ varet nga kushtet e punës	Industritë kimike, të energjisë dhe ato të proceseve me kërkesa të larta

Çeliqet krom-molibden Cr-Mo dhe hidrogjen

Çeliqet krom-molibden janë ndër materialet më të rëndësishme të përdorura në pajisjet që funksionojnë me hidrogjen në temperaturë dhe presion të lartë.
Ky grup përfshin, ndër të tjera:

13CrMo4-5 / 1.7335 / 15HM,
10CrMo9-10 / 1.7380 / 10H2M,
çelikë të klasës 1¼Cr-½Mo,
çelikë të klasës 2¼Cr-1Mo,
çelikë rreth 5% Cr-Mo – H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5.

Rëndësia e këtyre çeliqeve është kryesisht për shkak të veprimit të dy shtesave themelore të aliazhit: krom i molibdenAto rrisin stabilitetin e karbideve, gjë që është e rëndësishme për rezistencën ndaj sulmit me hidrogjen në temperaturë të lartë.
Megjithatë, kjo nuk do të thotë që çdo çelik Cr-Mo është automatikisht i sigurt në të gjitha kushtet e hidrogjenit. Përshtatshmëria e tij varet nga përbërja e tij kimike, mikrostruktura, temperatura dhe presioni i pjesshëm H.₂.

H5M, X12CrMo5 dhe çelikët rreth 5% Cr në instalimet e hidrogjenit

Një vend të veçantë midis çeliqeve Cr-Mo e zë grupi H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5, që përmban rreth 4–6% krom dhe rreth 0,4–0,65% molibden.
Ky grup përfshin, ndër të tjera: H5M / X16CrMo5-1 / 1.7366 dhe 12CrMo19-5 / X12CrMo5 / 1.7362Këto materiale përdoren në industritë kimike dhe petrokimike, në sintezën e amoniakut dhe instalimet e përpunimit të naftës bruto, si dhe në pajisjet që funksionojnë në temperatura të larta dhe në prani të hidrogjenit.
Në kontekstin e hidrogjenit, vetia e tyre e rëndësishme është rezistenca e shtuar ndaj sulmit me hidrogjen në temperaturë të lartë (HTHA). Kjo veti nuk duhet të ngatërrohet me rezistencën e plotë ndaj brishtësisë së hidrogjenit (HE) - këto janë mekanizma të ndryshëm degradimi.

Çelik 316L dhe hidrogjen

1.4404 / AISI 316L / UNS S31603 është një çelik inox austenitik krom-nikel-molibden.
Stabiliteti i strukturës austenitike dhe përmbajtja e nikelit e bëjnë këtë lloj çeliku të ketë performancë të favorshme në shumë aplikime me hidrogjen. 316/316L është një material i rëndësishëm i përdorur dhe i testuar për instalimet me hidrogjen të gaztë.
Megjithatë, kjo nuk do të thotë mungesë e ndjeshmërisë së plotë ndaj hidrogjenit. Hidrogjeni mund të ndikojë, ndër të tjera, në duktilitetin, rezistencën ndaj thyerjes dhe jetëgjatësinë e lodhjes së një materiali. Prandaj, gjatë projektimit të sistemeve me presion të lartë, është e nevojshme të përdoren të dhëna që korrespondojnë me temperaturën, presionin dhe metodën specifike të ngarkimit.
Prania molibden në 316L gjithashtu rrit rezistencën ndaj llojeve të caktuara korrozioni i gropëzuar i korrozioni i çarjeve, por rezistenca ndaj korrozionit nuk duhet të barazohet me rezistencën ndaj hidrogjenit.

Lidhjet e nikelit për shërbimin e hidrogjenit

Në instalime veçanërisht të kërkuara, përdoren edhe lidhje speciale me nikel të lartë.
Një shembull është Aliazh 625 / 2.4856 / UNS N06625, që përmban nikel, chrom, molibden dhe niobium.
Lidhjet e nikelit janë veçanërisht interesante kur, përveç përputhshmërisë me hidrogjenin, kanë veti shumë të mira mekanike ose të larta rezistencë uniforme ndaj korrozionit në një mjedis kimik agresiv.
Përzgjedhja e një lidhjeje nikeli duhet të bëhet edhe për kushte specifike operimi - një përmbajtje e lartë nikeli në vetvete nuk ofron një garanci universale të rezistencës ndaj të gjithë mekanizmave të degradimit që lidhen me hidrogjenin.

API RP 941 – çelik për shërbim me hidrogjen në temperaturë të lartë

Një nga dokumentet bazë të përdorura në vlerësimin e materialeve që veprojnë në hidrogjen të nxehtë është API RP 941 - Çeliqe për Shërbimin e Hidrogjenit në Temperatura dhe Presione të Ngritura në Rafineritë e Naftës dhe Uzinat Petrokimike.
Dokumenti zbatohet kryesisht për çelikët e karbonit dhe çelikët me aliazh të ulët që operohen në prani të hidrogjenit në temperatura dhe presion të lartë.
API RP 941 përfshin, ndër të tjera:

temperatura,
presioni i pjesshëm i hidrogjenit,
përbërja kimike e çelikut,
stresi,
trajtimi i nxehtësisë,
kushtet e saldimit dhe gjendja e nyjeve.

Dokumenti nuk duhet të konsiderohet si një standard i përgjithshëm për rezistencën e të gjitha materialeve ndaj të gjitha formave të ekspozimit ndaj hidrogjenit.

Kurbat e Nelsonit - Përzgjedhja e çelikut për hidrogjen të nxehtë

API RP 941 është i lidhur me të ashtuquajturin Kurbat e NelsonitAto përdoren për të vlerësuar kufijtë praktikë të përdorimit të grupeve specifike të çelikut në varësi të temperaturës dhe presionit të pjesshëm të hidrogjenit.
Kurbat ju lejojnë të krahasoni, ndër të tjera:

çelik karboni,
Çeliqet C-½Mo,
Çeliqet 1Cr-½Mo,
Çelik 1¼Cr-½Mo,
Çelik 2¼Cr-1Mo,
çelikë rreth 5Cr-½Mo,
çelikë të tjerë Cr-Mo të përdorur në instalimet e hidrogjenit në temperaturë të lartë.

Në përgjithësi, rritja e përmbajtjes së kromit dhe molibdenit lejon që çelikët e përzgjedhur siç duhet të përdoren në kushte më të vështira sesa çelikët tipikë të karbonit. Megjithatë, vlerat specifike të lejuara të temperaturës dhe presionit të pjesshëm të H2 _duhet të bazohen në të dhënat aktuale të projektimit dhe botimin përkatës të API RP 941.

Hidrogjeni në temperaturë ambienti dhe hidrogjeni i nxehtë – jo i njëjti problem

Ky dallim është thelbësor kur zgjidhni një material.
Instalimi i gazit H₂ Operimi në temperaturë ambienti mund të projektohet kryesisht duke marrë parasysh efektin e hidrogjenit në plasaritje, plasticitet dhe jetëgjatësi ndaj lodhjes.
Një instalim rafinerie që operon me hidrogjen në një temperaturë prej disa qindra gradë Celsius kërkon një analizë të riskut HTHA dhe zbatimin e parimeve të përshtatshme të përzgjedhjes së materialeve, duke përfshirë ato në përputhje me API RP 941.
Për këtë arsye, pohimi "çeliku është rezistent ndaj hidrogjenit" pa specifikuar kushtet e funksionimit ka pak vlerë teknike.

Si të zgjidhni çelikun për një instalim hidrogjeni?

Kur zgjidhni një material, duhet të përcaktoni paraprakisht:

temperatura e funksionimit dhe temperatura maksimale,
presioni i instalimit,
presioni i pjesshëm H₂,
nëse hidrogjeni ndodh si gaz i pastër, si përbërës i një përzierjeje apo prodhohet si rezultat i proceseve elektrokimike,
lloji dhe niveli i ngarkesave mekanike,
jeta e lodhjes së kërkuar,
gjendja e trajtimit të nxehtësisë së materialit,
prania dhe teknologjia e nyjeve të salduara,
prania e H₂S, klorure, acide dhe përbërës të tjerë mjedisorë,
kërkesat e standardeve dhe rregulloreve përkatëse të projektimit.

Vetëm pas përcaktimit të këtyre parametrave mund të krahasohen çelikët e karbonit, Cr-Mo, çelikët inox austenitikë dhe lidhjet e nikelit.

A është çeliku inox rezistent ndaj hidrogjenit?

Jo çdo çelik inox sillet njësoj. Struktura e materialit është shumë e rëndësishme.
Çeliqet inox austenitike si p.sh. 304 L / 1.4307 i 316 L / 1.4404, janë ndër materialet që merren shpesh në konsideratë për instalimet e hidrogjenit. Megjithatë, rezistenca e tyre e mirë ndaj korrozionit nuk duhet të përkthehet drejtpërdrejt në rezistencë ndaj brishtësisë së hidrogjenit.
Rezistencë ndaj korrozioni i gropëzuar, korrozioni i çarjeve, korrozioni ndërgranular dhe përputhshmëria e një materiali me hidrogjenin janë veti të ndryshme dhe duhet të vlerësohen veçmas.

A është 316L i përshtatshëm për hidrogjen?

Çelik 316L / 1.4404 është një nga materialet e rëndësishme të përdorura dhe të testuara për sistemet e hidrogjenit. Mikrostruktura e tij austenitike dhe përmbajtja e nikelit nxisin përputhshmëri të mirë të materialit me hidrogjenin.
Megjithatë, zgjedhja përfundimtare varet nga presioni H₂, temperatura, lloji i ngarkesave, gjeometria e elementit, jetëgjatësia e kërkuar e lodhjes dhe rregulloret e zbatueshme të projektimit.

A janë çelikët Cr-Mo rezistentë ndaj hidrogjenit?

Çeliqet Cr-Mo janë veçanërisht të rëndësishme në instalimet me temperaturë të lartë që përmbajnë hidrogjen. Chrom i molibden rrisin qëndrueshmërinë e karbideve dhe lejojnë rezistencë më të madhe ndaj HTHA sesa në çeliqet tipike të karbonit.
Kjo vlen për nivele të ndryshme të ndalimit - nga 13CrMo4-5 / 15HM i 10CrMo9-10 / 10H2M po çelikë me rreth 5% Cr-Mo, siç janë H5M, X11CrMo5 dhe X12CrMo5.
Megjithatë, përzgjedhja e një shkalle specifike dhe kushteve të funksionimit duhet të rezultojë nga llogaritjet e projektimit dhe dokumentet teknike përkatëse, duke përfshirë API RP 941.

Nuk ekziston një çelik i vetëm universal rezistent ndaj hidrogjenit. Në varësi të kushteve të funksionimit, çelikët e karbonit, çelikët krom-molibden (Cr-Mo), çelik inox austenitik dhe lidhjet e nikelit.
Në instalimet me temperaturë të lartë, çelikët Cr-Mo dhe rezistenca ndaj HTHA janë veçanërisht të rëndësishme. Këto përfshijnë të dyja 13CrMo4-5 / 15HM, 10CrMo9-10 / 10H2M, si dhe lidhjet më të larta H5M / X16CrMo5-1 / X11CrMo5 / X12CrMo5.
Në instalimet e hidrogjenit të gaztë në temperatura më të ulëta, rezistenca e materialit ndaj brishtësisë dhe çarjes së asistuar nga hidrogjeni është e rëndësishme, prandaj, ndër të tjera, çelik austenitik 316L / 1.4404 dhe lidhje nikeli të përzgjedhura në mënyrë të përshtatshme.
Përzgjedhja e duhur e materialit duhet të marrë gjithmonë parasysh temperaturën, presionin dhe presionin e pjesshëm H₂, mikrostruktura, vetitë mekanike, saldimi dhe përbërja aktuale e mjedisit të punës.